Повышение эксплуатационных характеристик модифицированного тяжелого бетона для железобетонных шпал высокоскоростных магистралей

IMPROVING THE PERFORMANCE OF MODIFIED HEAVY CONCRETE FOR REINFORCED CONCRETE SLEEPERS OF HIGH-SPEED LINES

Ruslan Temirkanov

Postgraduate student, National Research Moscow State Civil Engineering University, Russia, Moscow

Evgeniya Tkach

Doctor of those. Sci., Professor, National Research Moscow State Civil Engineering University, Russia, Moscow

Аннотация. Целью исследования является установить действующие нагрузки на железобетонные шпалы, определить причину выхода из строя элемента задолго до окончания проектируемого срока службы. Повышение эксплуатационных свойств бетона напрямую влияет на безотказную работу конструкции. Для повышения его эксплуатационных свойств в бетонную смесь вводились модификатор, микрокремнезем, базальтовое волокно. Исследовался предел прочности бетонных образцов на растяжение при изгибе, по результатом которого данная характеристика повысилась на 32,41 %.

Abstract. The purpose of the study is to establish the actual loads on reinforced concrete sleepers, to determine the cause of the failure of the element long before the end of the projected service life. Improving the performance properties of concrete directly affects the trouble-free operation of the structure. To increase its operational properties, a modifier, microsilica, basalt fiber were introduced into the concrete mixture. The tensile strength of concrete specimens in bending was investigated, as a result of which this characteristic increased by 32.41%.

Ключевые слова: железобетонные шпалы; изгиб; эксплуатационные свойства; микокремнезем; базальтовое волокно.

Keywords: reinforced concrete sleepers; bending; operational properties; microsilica; basalt fiber.

Материальные и трудовые затраты по шпальному хозяйству являются весьма значительными. Их величины находятся в обратной зависимости от срока службы шпал. Расчетный срок службы железобетонных шпал превышает срок службы деревянных шпал в 2-2,5 раза и составляет примерно 40-50 лет [1].

Срок службы железобетонных шпал зависит от ряда эксплуатационных дефектов, в число которых вошли: продольные трещины и сколы бетона в зоне дюбелей и в других местах (более 10 %); продольные трещины в бетоне с торцов и в середине шпал, идущие по направлению арматуры (около 15 %); поперечные трещины в средней части шпал (около 11 %) и др.

К дефектам, возникающим по технологическим причинам, относятся: поперечные трещины в подрельсовой части шпал, появляющиеся из-за недостаточного предварительного напряжения арматуры в бетоне; заводские отколы бетона по трещинам, зарождающиеся при изготовлении шпал; недостатки приготовления и укладки бетонной смеси; недостаточная морозостойкость бетона, нарушение технологии изготовления шпал, в частности, недостаточная толщина защитного слоя бетона и др.

Анализ технической литературы показал, что существенное продление срока службы железобетонных шпал может быть достигнута применением химических добавок [2-5].

Следует отметить, что в настоящее время во многих промышленно развитых странах доля бетона, укладываемого с применением химических добавок-модификаторов, составила более 50 % объема, в ряде стран мира с добавками выпускается 80-90 % и даже все 100 %  [2].

С 1970 года число добавок увеличивается, они становятся более разнообразными, их качество непрерывно улучшается. Разрабатываются продукты, все более отвечающие требованиям современного строительства.    Развитию этого процесса способствовали как достижения в физико-химии поверхностных явлений, химии синтеза, модифицировании, минералогии и других смежных областях знаний.

Особенностью условий эксплуатации бетона, применяемого в транспортном строительстве, в частности железобетонных шпал, является циклическое воздействие на него нагрузок от проходящего транспорта.

При снятии динамических нагрузок микротрещины в бетоне полностью не закрываются, материал не возвращается к начальному состоянию и поэтому вторичное поле напряжений изменяется при новом нагружении. В результате резко  возрастают деформации виброползучести, процесс разрыхления охватывает все больший объем материала, подготавливая сплошную трещину отрыва, которая может в этих условиях возникнуть при меньших напряжениях, чем при однократном действии нагрузки, так как увеличивается объем материала, доведенный до предельного состояния, где может появиться трещина отрыва.

Многократное и длительное периодическое нагружение приводит к тому, что жидкая фаза постепенно проникает в устья микротрещины, облегчая процесс деформирования бетона, препятствуя смыканию трещин при разгрузке, вызывая более заметное изменение вторичного поля напряжений в процессе разрыхления структуры бетона и способствует появлению трещины отрыва вследствие чего бетон разрушается.

На интенсивность процесса микротрещинообразования большое влияние оказывает пластичность материала в перенапряженных микрообъектах. Вследствие пластичных сдвигов в деформации ползучести происходит перераспределение напряжений и заметно снижается их концентрация в опасных местах. Поэтому бетоны повышенной пластичности несколько лучше сопротивляются воздействию многократной повторной нагрузке.

В данной работе решены задачи подбора составов бетона на основе цементного вяжущего марки ЦЕМ I 42,5Н с применением модификатора «Пластилит РК», пуццолановой добавки в виде микрокремнезема марки МКУ-95 и базальтового волокна длиной 12 мм с целью повышения предела прочности на растяжение при изгибе. В соответствии с ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» исследования проводились на образцах-призмах с размерами ребер 70x70x280 мм. Число образцов в серии принималось в зависимости от среднего внутрисерийного коэффициента вариации прочности бетона.  В ходе подготовки образцов каждой серии была присвоена маркировка.

Подобранные составы бетонной смеси с предварительно установленным оптимальным расходом активированного микрокремнезема и расчетным расходом фибры отображены в таблице 1.

Таблица 1.

Составы бетонной смеси для проведения испытаний растяжение призмы при изгибе

Растяжение при изгибе  вычисляют с точностью до 0,01 МПа по формуле:

где F - разрушающая нагрузка, Н;

a, b, l - ширина, высота поперечного сечения призмы и расстояние между опорами соответственно при испытании образцов на растяжение при изгибе, мм;

 - масштабный коэффициент для приведения прочности бетона к прочности бетона в образцах базовых размера и формы; 

 - поправочный коэффициент для ячеистого бетона, учитывающий влажность образцов в момент испытания.

Результаты испытаний и обработанные результаты приведены в табл. 2.

Таблица 2.

 Обработка результатов испытаний образцов – призм на растяжение при изгибе

Выводы:

– Прочность на растяжение при изгибе образцов из тяжелого бетона, в состав которого входит активированный микрокремнезем, исследованных составов в возрасте 28 суток, повышается на 13,03% по сравнению с контрольным образцом. Повышение прочностных характеристик связано с образованием активных центров в виде продуктов гидролиза активированного МК, которые концентрируют вокруг себя новообразования, формируя стабильную коллоидную систему. В ней протекают процессы самоармирования, связанные с перекристаллизацией частиц новообразований коллоидных размеров в более крупные, участвующие в построении пространственного каркаса, который за счет продолжительной гидратации уплотняется и упрочняется.

– В результате проведенных исследований установлено, что максимальный прирост прочности на растяжение при изгибе имеют образцы, в состав которых входит активированный микрокемнезем с расходом 15% от массы вяжущего вещества и базальтовая фибра с длиной элементарного волокна 12,7 мм, расходом 0,75%. Прочность повысилась на 32,41% по отношению к контрольному образцу. Введение базальтового волокна не только повышает разрушающее напряжение, но и меняет характер деформирования бетона, увеличивая долю псевдопластических деформаций при нагружении и соответственно работу разрушения.